開關(guān)電源中功率MOS管米勒效應(yīng)介紹

合芯半導(dǎo)體針對開關(guān)電源中MOS管在開關(guān)狀態(tài)下的米勒效應(yīng)做給簡要的介紹給大家，方便大家對MOS管（MOSFET）在開關(guān)電源中的選擇作幫助，同時(shí)能說明開關(guān)電源使用中功率器件MOS管（MOSFET）燒管的多數(shù)原因，客戶在使用過程和電路設(shè)計(jì)過程把握住MOS管的關(guān)鍵參數(shù)。

MOSFET在開關(guān)電源電路中的四個(gè)工作狀態(tài)：開通過程（由截止到導(dǎo)通的過程）、導(dǎo)通狀態(tài)、關(guān)斷過程（由導(dǎo)通到截止的過程）、截止?fàn)顟B(tài)。

MOSFET主要損耗也主要在這幾個(gè)狀態(tài)過程，開關(guān)損耗（開通過程和關(guān)斷過程），導(dǎo)通損耗，截止損耗（漏電流引起的，這個(gè)可以忽略），還有雪崩能量損耗。一定要把這些損耗控制在mos承受范圍內(nèi)，mos管即就會正常工作不會有異常甚至燒管，超出這個(gè)范圍，容易發(fā)生損壞。在這幾個(gè)狀態(tài)中開關(guān)損耗往往大于導(dǎo)通狀態(tài)損耗（不同mos管這個(gè)有差異。）

MOS管損壞主要原因：

過流----------持續(xù)大電流或瞬間超大電流引起的結(jié)溫過高而燒毀；

過壓----------源漏過壓擊穿、源柵極過壓擊穿；

靜電----------靜電擊穿。CMOS電路都怕靜電；

MOS管簡要開關(guān)原理。MOS管是電壓驅(qū)動型器件，只要柵源極間給一個(gè)適當(dāng)電壓（大于Vth），源極和漏極間通路就形成。這個(gè)電流通路的電阻被稱為mos導(dǎo)通內(nèi)阻，指我們常說的導(dǎo)通電阻Rds(on)。這個(gè)內(nèi)阻大小基本決定了mos芯片能承受的最大導(dǎo)通電流（和其它因素也有關(guān)，最重要的是熱阻）。內(nèi)阻越小MOS管承受電流越大，發(fā)熱小。

MOS使用問題遠(yuǎn)沒這么簡單，麻煩在它的柵源極間，源漏極間，柵漏極間內(nèi)部均有等效電容，這就要我們要關(guān)心MOS管Qgs, Qgd這兩個(gè)參數(shù)。使用過程中給柵源極加電壓的過程同時(shí)給柵源極電容充電的過程（電容電壓不能突變），所以MOS管源極和漏極間由截止到導(dǎo)通的開通過程受柵極電容的充電過程影響。

然而，MOS管中柵源極、柵漏極、源漏極三個(gè)等效電容是串并聯(lián)組合關(guān)系，它們會相互影響，如果獨(dú)立的就很簡單了。其中一個(gè)關(guān)鍵電容就是柵漏極間的電容Cgd，這個(gè)電容稱為米勒電容。這個(gè)電容是變化的，隨柵極和漏級間電壓變化。米勒電容阻礙柵極和源級電容充電，因?yàn)闁艠O給柵-源電容Cgs充電達(dá)到一個(gè)節(jié)點(diǎn)后，柵極的充電電流必須給米勒電容Cgd充電，這時(shí)柵極和源級間電壓不再升高，達(dá)到一個(gè)平臺，這個(gè)是米勒平臺（米勒平臺就是給Cgd充電的過程），米勒平臺帶來的影響就是米勒振蕩。（柵極先給Cgs充電，到達(dá)一定平臺后再給Cgd充電）。這個(gè)時(shí)候源級和漏級間電壓迅速變化，內(nèi)部電容相應(yīng)快速充放電，這些電流脈沖會導(dǎo)致MOS管寄生電感產(chǎn)生感抗，這里面就有電容，電感，電阻組成震蕩電路（形成2個(gè)回路），并且電流脈沖越強(qiáng)頻率越高震蕩幅度越大，因此關(guān)鍵的問題是米勒平臺如何過渡。

柵源極間加電容或者減慢MOS管導(dǎo)通時(shí)間，有助于減小米勒振蕩，防止mos管不良。過快的充電會導(dǎo)致激烈的米勒震蕩，然而過慢的充電雖減小了震蕩，但會延長開關(guān)時(shí)間從而增加開關(guān)損耗。MOS管開通過程源漏極間等效電阻相當(dāng)于從無窮大電阻到阻值很小的導(dǎo)通內(nèi)阻的一個(gè)轉(zhuǎn)變過程，我們知道有的MOS管導(dǎo)通電阻小至幾毫歐，如此大的變化要MOS管安全穩(wěn)定工作我們在設(shè)計(jì)中要設(shè)計(jì)好參數(shù)。比如MOS管最大電流100A，電池電壓48V，在開通過程中，有那么一瞬間（剛進(jìn)入米勒平臺時(shí)）MOS管發(fā)熱功率是P=V*I(此時(shí)電流已達(dá)最大，所有的功率都降落在MOS管上)，P=48*100=4800w，這時(shí)它發(fā)熱功率最大，隨后發(fā)熱功率迅速降低直到完全導(dǎo)通時(shí)功率變成100*100*0.003=30w（假設(shè)這個(gè)MOS管導(dǎo)通內(nèi)阻3毫歐）。可以看出MOS管開關(guān)過程中發(fā)熱功率變化是驚人的。但是開通時(shí)間變慢，意味著發(fā)熱從4800w到30w過渡的慢，MOS管在這個(gè)過程中結(jié)溫會升高同樣發(fā)熱厲害。所以開關(guān)時(shí)間越慢，結(jié)溫越高，同樣容易燒MOS管。為了降低MOS管不良，只能降低MOS管使用電流流或者降低電池電壓，比如電流降低到50A或電壓降低一半成24V，這樣開關(guān)發(fā)熱損耗也降低了一半。這也是高壓控容易燒管子原因，高壓控制和低壓控制只有開關(guān)損耗不一樣（開關(guān)損耗和電池端電壓基本成正比，假設(shè)限流一樣），導(dǎo)通期間損耗完全受MOS管的內(nèi)阻決定，和電池電壓沒任何關(guān)系。

其實(shí)MOS管導(dǎo)通過程更加復(fù)雜，里面變量更多。簡單言之就是開關(guān)慢不容易米勒震蕩，但開關(guān)損耗大，管子發(fā)熱大，開關(guān)速度快理論上開關(guān)損耗低（只要能有效抑制米勒震蕩），但是往往米勒震蕩很厲害（如果米勒震蕩很嚴(yán)重，可能在米勒平臺就燒管子了），反而開關(guān)損耗也大。設(shè)計(jì)師的驅(qū)動電路布線和主回路布線技能決定了MOS管的正常使用，目的就是找個(gè)平衡點(diǎn)（一般開通過程不超過1us）。開通損耗簡單，只和導(dǎo)通電阻成正比，想大電流低損耗找內(nèi)阻低的。

下面對MOS管挑選的重要參數(shù)簡要說明

以合芯半導(dǎo)體封裝的75N80低壓MOS管的datasheet舉例說明。

柵極電荷：Qgs, Qgd

Qgs:指的是柵極從0v充電到對應(yīng)電流米勒平臺時(shí)總充入電荷（實(shí)際電流不同，這個(gè)平臺高度不同，電流越大，平臺越高，這個(gè)值越大）。這個(gè)階段是給Cgs充電（也相當(dāng)于Ciss，輸入電容）。

Qgd:指的是整個(gè)米勒平臺的總充電電荷（在這稱為米勒電荷）。這個(gè)過程給Cgd（Crss，這個(gè)電容隨著柵漏極電壓不同迅速變化）充電。

合芯半導(dǎo)體的MOS管75N80管Qgs是27nc，Qgd是47nc。結(jié)合它的充電曲線。

進(jìn)入平臺前給Cgs充電，總電荷Qgs 20nc，平臺米勒電荷Qgd 30nc。

開關(guān)電源中MOS管開關(guān)過程中，從Vgs開始超過閾值電壓VTH，到米勒平臺結(jié)束是主要發(fā)熱區(qū)間。其中米勒平臺結(jié)束后MOS管基本完全打開這時(shí)損耗是基本導(dǎo)通損耗（MOS管內(nèi)阻越低損耗越低）。閾值電壓前，MOS管沒有打開，只有漏電流引起的一點(diǎn)損耗。Qgs充電將近結(jié)束，快到米勒平臺和剛進(jìn)入米勒平臺這個(gè)過程發(fā)熱功率最大。

所以一定充電電流下，總電荷小的管子會很快度過發(fā)熱區(qū)，這樣發(fā)熱區(qū)間時(shí)間就短，總發(fā)熱量就低。所以理論上選擇Qgs和Qgd小的mos管能快速度過開關(guān)區(qū)。

導(dǎo)通內(nèi)阻。Rds（on）。這個(gè)耐壓一定情況下是越低越好。不過不同廠家標(biāo)的內(nèi)阻是有不同測試條件的。測試條件不同，內(nèi)阻測量值會不一樣。同一管子，溫度越高內(nèi)阻越大（這是硅半導(dǎo)體材料在mos制造工藝的特性，很難改善）。所以大電流測試內(nèi)阻會增大（大電流下結(jié)溫會顯著升高），小電流或脈沖電流測試，內(nèi)阻降低。

所以我們在參數(shù)選擇上是------------找Qgs和Qgd小的mos管，并同時(shí)符合低內(nèi)阻的mos管。

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